Ответьте на вопросы, страница 212 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Почему лазерный пучок света обладает мощностью, значительно превышающей мощность других источников света?

2. Используя рисунки 235 а,б поясните, почему лазерный луч представляет собой пучок когерентного света, в котором частота, фаза, поляризация и направление движения у всех фотонов одинаковы?

1. Почему лазерный пучок света обладает мощностью, значительно превышающей мощность других источников света?
Высокая мощность лазерного пучка обусловлена не столько общей энергией, излучаемой в секунду, сколько ее чрезвычайно высокой концентрацией. Этот эффект достигается благодаря двум ключевым свойствам лазерного излучения: высокой направленности и монохроматичности.
В отличие от обычных источников (например, лампы накаливания), которые излучают свет во всех направлениях, рассеивая энергию по большой площади, лазер формирует очень узкий, практически не расходящийся пучок. Вся мощность излучения оказывается сконцентрированной на очень маленькой площади поперечного сечения луча. Интенсивность света ($\text{I}$) определяется как мощность ($\text{P}$), деленная на площадь ($\text{A}$), на которую она падает: $I = P/A$. Таким образом, даже при умеренной общей мощности $\text{P}$, за счет очень малой площади $\text{A}$ интенсивность лазерного луча может достигать колоссальных значений. Именно эта высокая плотность энергии (интенсивность) воспринимается как огромная мощность, способная, например, резать металл или проводить точные хирургические операции.
Кроме того, сам принцип работы лазера, основанный на вынужденном (стимулированном) излучении, представляет собой процесс усиления света, что позволяет генерировать пучки с большой суммарной мощностью.

Ответ: Высокая мощность лазерного пучка обусловлена главным образом его высокой направленностью, из-за которой вся энергия излучения концентрируется в очень малой области пространства, создавая огромную плотность мощности (интенсивность) по сравнению с ненаправленными источниками света.

2. Используя рисунки 235 а,б поясните, почему лазерный луч представляет собой пучок когерентного света, в котором частота, фаза, поляризация и направление движения у всех фотонов одинаковы?
Лазерный луч является когерентным, так как он генерируется в процессе вынужденного (стимулированного) излучения (которое, предположительно, иллюстрирует рисунок 235б). Этот процесс кардинально отличается от спонтанного излучения (рисунок 235а), характерного для обычных источников света.
При спонтанном излучении возбужденные атомы вещества испускают фотоны самопроизвольно, в случайные моменты времени и в случайных направлениях. В результате получается некогерентный свет, представляющий собой хаотичный набор волн с разными фазами, направлениями и поляризациями.
В лазере же реализуется процесс вынужденного излучения. Он заключается в следующем: если фотон с определенной энергией пролетает мимо атома, который уже находится в возбужденном состоянии с такой же энергией, он не поглощается, а стимулирует этот атом немедленно перейти в основное состояние. При этом атом испускает второй фотон, который является его точной копией (клоном). У этих двух фотонов — исходного и новорожденного — абсолютно одинаковы:
• Частота: она точно соответствует разности энергий уровней атома.
• Фаза: их электромагнитные колебания полностью совпадают по фазе.
• Направление движения: они летят строго в одном и том же направлении.
• Поляризация: у них одинаковая поляризация.
В активной среде лазера создаются условия, при которых таких возбужденных атомов очень много. Один фотон, проходя через среду, вызывает лавину испускания фотонов-копий. Система зеркал (оптический резонатор) на концах лазера многократно направляет этот поток фотонов обратно в активную среду, усиливая его с каждым проходом. В итоге из лазера выходит мощный пучок света, состоящий из миллиардов абсолютно идентичных фотонов. Совокупность таких одинаковых, синхронизированных световых волн и называется когерентным светом.

Ответ: Лазерный луч когерентен, поскольку он создается в процессе вынужденного излучения, где каждый вновь испущенный фотон является точной копией стимулирующего фотона. Этот механизм "клонирования" фотонов обеспечивает тождество их частоты, фазы, поляризации и направления движения во всем пучке.